DE102023203210A1 - Methods for synchronizing networks - Google Patents
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Abstract
Computerimplementiertes Verfahren zur Zeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern eines Kommunikationsnetzwerks (1) umfassend mindestens zwei Netzwerkteilnehmer (12, 14) mit jeweils einem lokalen Mittel zur Zeitmessung,
einen ersten Netzwerkstrang (20), der die mindestens zwei Netzwerkteilnehmer miteinander kommunikativ verbindet,
mindestens ein zentrales Mittel zur Zeitmessung (10),
einen nicht jitterbehafteten zweiten Netzwerkstrang zwischen dem zentralen Mittel zur Zeitmessung (10) und dem ersten Netzwerkteilnehmer (12), und
einen dritten nicht jitterbehafteten Netzwerkstrang zwischen dem zentralen Mittel zur Zeitmessung (10) und dem zweiten Netzwerkteilnehmer (14),
das die folgenden Schritte umfasst
- Verbinden des zentralen Mittels zur Zeitmessung (10) mit dem ersten Netzwerkteilnehmer (12) über den zweiten Netzwerkstrang und Synchronisieren des lokalen Mittels zur Zeitmessung des ersten Netzwerkteilnehmers (12) auf das zentrale Mittel zur Zeitmessung (10)
- Verbinden des zentralen Mittels zur Zeitmessung (10) mit dem zweiten Netzwerkteilnehmer (14) über den dritten Netzwerkstrang und Synchronisieren des lokalen Mittels zur Zeitmessung des zweiten Netzwerkteilnehmers (14) auf das zentrale Mittel zur Zeitmessung (10).
a first network strand (20) which communicatively connects the at least two network participants with each other,
at least one central means of time measurement (10),
a non-jittery second network strand between the central time measurement means (10) and the first network participant (12), and
a third non-jittery network strand between the central time measurement means (10) and the second network participant (14),
which includes the following steps
- Connecting the central time measurement means (10) to the first network participant (12) via the second network strand and synchronizing the local time measurement means of the first network participant (12) to the central time measurement means (10)
- Connecting the central time measurement means (10) to the second network participant (14) via the third network strand and synchronizing the local time measurement means of the second network participant (14) to the central time measurement means (10).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Zeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern eines Kommunikationsnetzwerks.The present invention relates to a computer-implemented method for time synchronization of network participants of a communication network.
In der Automatisierungstechnik bzw. der industriellen Steuerungstechnik ist es üblich, Komponenten einer Maschine bzw. Anlage, insbesondere Steuereinheiten und Feldgeräte, wie z.B. elektrische Steuerungen, Antriebsregler, E/A-Geräte usw., datenübertragend zu verbinden. Damit beispielsweise Bewegungen unterschiedlicher Aggregate der Maschine synchron und aufeinander abgestimmt ablaufen können, müssen die einzelnen miteinander vernetzten Maschinenkomponenten eine gemeinsame Zeitbasis bzw. ein gemeinsames Zeitverständnis besitzen. Zu diesem Zweck ist es notwendig, die einzelnen Maschinenkomponenten bzw. deren Mittel zur Zeitmessung, insbesondere Uhren und davon abgeleitete Ereignisse zu synchronisieren. Beispielsweise werden für derartige Vernetzung von Industriemaschinen bzw. Maschinenkomponenten drahtgebundene, echtzeitfähige Feldbusnetzwerke eingesetzt, welche heutzutage oftmals auf Ethernet basieren, z.B., Sercos III, EtherCAT, Profinet, Ethernet/IP usw.In automation technology or industrial control technology, it is common to connect components of a machine or system, in particular control units and field devices, such as electrical controls, drive controllers, I/O devices, etc., in a data-transmitting manner. For example, so that movements of different machine units can run synchronously and in a coordinated manner, the individual networked machine components must have a common time base or a common understanding of time. For this purpose, it is necessary to synchronize the individual machine components or their means of measuring time, in particular clocks and events derived from them. For example, wired, real-time fieldbus networks are used for this type of networking of industrial machines or machine components, which nowadays are often based on Ethernet, e.g. Sercos III, EtherCAT, Profinet, Ethernet/IP, etc.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Uhren der Teilnehmer eines Teilnetzes auf eine gemeinsame Zeitbasis zu synchronisieren. Eine gemeinsame Zeitbasis in einem derartigen drahtgebundenen Netzwerk kann beispielsweise mittels des sog. „Precision Time Protocol“ (PTP) hergestellt werden, im Zuge dessen, zwischen einem Master und einem Slave, eine Anzahl von Synchronisationsnachrichten (z.B. Sync, Follow Up, Delay Request, Delay Response usw.) ausgetauscht werden, um eine Verzögerung zwischen der Master-Uhr und der Slave-Uhr zu erkennen und ggf. kontinuierlich zu kompensieren. Dazu wird eine Zeitmarke in Form einer Sync Message von der Master-Referenzuhr an den Slave versandt, der die Empfangszeit der Zeitmarken an seiner eigenen Zeit bestimmt. Zudem sendet der Slave wiederholt eine Delay Request Message an den Master, deren Empfangszeit beim Master wiederum als Delay Response Message an den Slave zurückgeschickt wird. Aus jeweils den Differenzen der vier Zeitmarken werden das Masterto-Slave Delay und das Slave-to-Master Delay bestimmt. In diesen Werten ist also jeweils die Differenz der beiden Uhren und die Nachrichtenlaufzeit mit entgegengesetzten Vorzeichen enthalten. Der Mittelwert der beiden Größen liefert somit den gerichteten Offset zum Master, welcher schließlich zur Synchronisation der Slave-Uhr benutzt wird. Die Kompensation der Laufzeiten stützt sich dabei auf die Annahme, dass Hin- und Rückweg von Synchronisierungsnachrichten gleiche mittlere Laufzeiten haben und sich mit der Zeit nur langsam ändern. Die Annäherung des Slaves an die Referenzzeit des Masters erfolgt kontinuierlich über ein Regelverfahren. Insbesondere werden so Rücksprünge in der Slave-Zeit vermieden. Wie bereits erwähnt, wird vorausgesetzt, dass die Laufzeiten der Netzwerkkommunikation im Rahmen einer gewünschten Genauigkeit konstant sind. Dieser Ansatz schlägt fehl, wenn zwischen beispielsweise einem Feldbusmaster und seinen Slaves eine jitterbehaftete Kommunikationsstrecke vorhanden ist. Mit jitterbehafteter Kommunikationsstrecke wird eine starke zeitliche Schwankung der Laufzeit bei Übertragung der Datentelegramme bezeichnet. Durch die zeitlichen Schwankungen der Laufzeit bei der Übertragung der Datentelegramme kann, bei den bisherigen bekannten Verfahren, keine verlässliche Laufzeit und somit auch keine Kompensation derselbigen exakt bestimmt werden. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn in einem TSN-Netzwerk eine 5G-Kommunikationsstrecke zwischen dem Master und seinen Slaves, beispielsweise eines industriellen Feldbusses, vorhanden ist.It is known from the state of the art to synchronize the clocks of the participants in a subnetwork to a common time base. A common time base in such a wired network can be established, for example, using the so-called "Precision Time Protocol" (PTP), in the course of which a number of synchronization messages (e.g. sync, follow up, delay request, delay response, etc.) are exchanged between a master and a slave in order to detect a delay between the master clock and the slave clock and, if necessary, to continuously compensate for it. For this purpose, a time stamp in the form of a sync message is sent from the master reference clock to the slave, which determines the time of receipt of the time stamps based on its own time. In addition, the slave repeatedly sends a delay request message to the master, the time of receipt of which is in turn sent back to the slave as a delay response message by the master. The master-to-slave delay and the slave-to-master delay are determined from the differences between the four time stamps. These values therefore contain the difference between the two clocks and the message runtime with opposite signs. The average of the two values thus provides the directed offset to the master, which is ultimately used to synchronize the slave clock. The compensation of the runtimes is based on the assumption that the outward and return paths of synchronization messages have the same average runtimes and only change slowly over time. The slave continuously approaches the master's reference time using a control process. In particular, this avoids jumps in the slave time. As already mentioned, it is assumed that the runtimes of the network communication are constant within the scope of a desired accuracy. This approach fails if, for example, there is a jittery communication path between a fieldbus master and its slaves. A jittery communication path refers to a strong temporal fluctuation in the runtime when transmitting the data telegrams. Due to the temporal fluctuations in the runtime when transmitting the data telegrams, no reliable runtime and therefore no compensation for the same can be determined exactly using the methods known to date. This can be the case, for example, if a 5G communication link is present in a TSN network between the master and its slaves, for example of an industrial fieldbus.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der Offenlegungsschrift
Offenbarung der Erfindungdisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zur Zeitsynchronisation der Netzwerkteilnehmer eines Kommunikationsnetzwerks sowie ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, a method for time synchronization of the network participants of a communication network and a computer program product comprising commands which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of the method according to one of the preceding claims with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the subclaims and the following description.
Das zu synchronisierende Kommunikationsnetzwerk umfasst mindestens zwei Netzwerkteilnehmer mit jeweils einem lokalen Mittel zur Zeitmessung, einen ersten Netzwerkstrang, der die mindestens zwei Netzwerkteilnehmer miteinander verbindet, mindestens ein zentrales Mittel zur Zeitmessung, einen nicht jitterbehafteten zweiten Netzwerkstrang zwischen dem zentralen Mittel zur Zeitmessung und dem ersten Netzwerkteilnehmer und einen nicht jitterbehafteten dritten Netzwerkstrang zwischen dem zentralen Mittel zur Zeitmessung und dem zweiten Netzwerkteilnehmer. Ein Netzwerkstrang wird als nicht jitterbehaftetet angesehen, wenn die Übertragungszeit der Datentelegramme über besagten Netzwerkstrang keinen starken zeitlichen Schwankungen der Laufzeit der Datentelegramme über den Netzwerkstrang unterworfen ist, also innerhalb vorgegebener Grenzen, bleibt. Dies wird auch als deterministisch bezeichnet.The communication network to be synchronized comprises at least two network participants, each with a local means of time measurement, a first network strand that connects the at least two network participants to one another, at least one central means of time measurement, a non-jittery second network strand between the central means of time measurement and the first network participant, and a non-jittery third network strand between the central means of time measurement and the second network participant. A network strand is considered non-jittery if the transmission time of the data telegrams over said network strand does not exhibit any significant temporal is subject to constant fluctuations in the runtime of the data telegrams over the network strand, i.e. remains within predetermined limits. This is also referred to as deterministic.
Das Verfahren zur Synchronisation von Netzwerkteilnehmern umfasst die folgenden Schritte
- - Verbinden des zentralen Mittels zur Zeitmessung mit dem ersten Netzwerkteilnehmer über den zweiten Netzwerkstrang und Synchronisieren des lokalen Mittels zur Zeitmessung des ersten Netzwerkteilnehmers auf das zentrale Mittel zur Zeitmessung und
- - Verbinden des zentralen Mittels zur Zeitmessung mit dem zweiten der Netzwerkteilnehmer über den dritten Netzwerkstrang und Synchronisieren des lokalen Mittels zur Zeitmessung des zweiten Netzwerkteilnehmers auf das zentrale Mittel zur Zeitmessung.
- - Connecting the central time measurement device to the first network participant via the second network strand and synchronising the local time measurement device of the first network participant to the central time measurement device and
- - Connecting the central time measurement device to the second of the network participants via the third network strand and synchronizing the local time measurement device of the second network participant to the central time measurement device.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können lokale, drahtgebundene Netzwerke, in welchen beispielsweise jeweils echtzeitfähige Teile eines Feldbusnetzwerke eingerichtet sind, über ein drahtloses, nicht-echtzeitfähiges Netzwerk, etwa ein Mobilfunknetz, miteinander vernetzt und zeitlich synchronisiert werden. Damit auch in derartigen Fällen eine Datenübertragung zwischen den einzelnen miteinander vernetzten Komponenten in Echtzeit stattfinden kann, ist es vorteilhaft, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren diese verschiedenen Netzwerke jeweils dieselbe Zeitnotation besitzen und miteinander synchronisiert sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ermöglicht, die Laufzeit von Datentelegrammen über den jitterbehafteten Netzwerkstrang, beispielsweise eine drahtlose 5G-Kommunikationsverbindung auszumessen und somit auch eine Kompensation derselbigen exakt für jedes übertragene Datentelegramm zu bestimmen. Innerhalb eines TSN-Netzwerks ist es somit einfach möglich eine jitterbefaftete drahtlosen Kommunikationszweig, zeitlich exakt zu synchronisieren und somit die jitterbehafteten Laufzeiten der Datentelegramme zu berücksichtigen und zu kompensieren.With the proposed method, local, wired networks, in which, for example, real-time capable parts of a fieldbus network are set up, can be networked with one another and synchronized in time via a wireless, non-real-time capable network, such as a mobile network. So that data transmission between the individual networked components can take place in real time in such cases, it is advantageous that with the method according to the invention these different networks each have the same time notation and are synchronized with one another. With the method according to the invention it is possible to measure the runtime of data telegrams over the jittery network strand, for example a wireless 5G communication connection, and thus also to determine a compensation for the same exactly for each transmitted data telegram. Within a TSN network it is therefore easy to synchronize a jittery wireless communication branch exactly in time and thus to take into account and compensate for the jittery runtimes of the data telegrams.
Wenn das das Kommunikationsnetzwerk ein Feldbus ist, dann können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Legacy- Feldbusgeräte wie beispielsweise eine speicherprogrammiere Steuerung, umfassend eine Feldbus Masteranschaltung, über eine beispielsweise jitterbehaftete 5G-Movilfunkkommunikationsstrecke einfach mit ihren Feldbus-Slaves über die in den Geräten ohnehin implementierten Mechanismen ohne Änderung der Firmware der Geräte miteinander kommunizieren, und zwar so, dass die Feldgeräte untereinander zeitlich synchronisierte Aktionen ausführen können.If the communication network is a fieldbus, then with the method according to the invention, legacy fieldbus devices such as a programmable logic controller comprising a fieldbus master connection can easily communicate with their fieldbus slaves via a jittery 5G mobile radio communication link, for example, via the mechanisms already implemented in the devices without changing the firmware of the devices, in such a way that the field devices can carry out actions that are synchronized with one another in time.
Figurenbeschreibungcharacter description
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically in the drawing using an embodiment and is described in detail below with reference to the drawings.
Es zeigen:
-
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Kommunikationsnetzwerks und -
2 ein schematisches Flussdiagramm des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a schematic block diagram of a communication network and -
2 a schematic flow diagram of the sequence of a method according to the invention.
Sowohl erster Netzwerkteilnehmer (12) als auch zweiter Netzwerkteilnehmer (14) umfassen ein lokales Mittel zur Zeitmessung.Both the first network participant (12) and the second network participant (14) comprise a local means for measuring time.
Über einen ersten Netzwerkstrang (20) werden Kommunikationstelegramme zwischen dem Feldbus-Master (12) und seinen Feldbus-Slaves (16) bidirektional ausgetauscht. Der erste Netzwerkstrang ist jitterbehaftet. Mit jitterbehafteter Kommunikationsstrecke wird eine starke zeitliche Schwankung der Laufzeit bei Übertragung der Datentelegramme bezeichnet. Dies ist dann der Fall, wenn wie im Ausführungsbeispiel in einem TSN-Netzwerk eine 5G-Kommunikationsstrecke zwischen dem Master (12) und seinen Slaves (16) vorhanden ist. Weiterhin umfasst das Kommunikationsnetzwerk 1 ein zentrales Mittel zur Zeitmessung (11). Das zentrale Mittel zur Zeitmessung (11) ist sowohl über einen zweiten Netzwerkstrang mit dem Feldbus-Master (12) als auch über einen zweiten Netzwerkstrang mit zweiten 5G-Gateway (14) kommunikativ verbunden.Communication telegrams are exchanged bidirectionally between the fieldbus master (12) and its fieldbus slaves (16) via a first network strand (20). The first network strand is subject to jitter. A jittery communication path refers to a strong temporal fluctuation in the runtime when transmitting the data telegrams. This is the case when, as in the exemplary embodiment, a 5G communication path is present between the master (12) and its slaves (16) in a TSN network. The communication network 1 a central means for time measurement (11). The central means for time measurement (11) is communicatively connected both to the fieldbus master (12) via a second network strand and to the second 5G gateway (14) via a second network strand.
Um die Sendezeitpunkte für ein Datentelegramme zwischen Master (12) und Slave (16) und umgekehrt unter Berücksichtigung der Laufzeiten zu bestimmen, werden, getrennt für die jeweilige Kommunikationsrichtung vom Master zu Slave bzw. vom Slave zu Master, die jeweiligen Laufzeiten ausgemessen und bei der Bestimmung des Sendezeitpunktes für synchrone Datentelegramme berücksichtigt.In order to determine the transmission times for a data telegram between master (12) and slave (16) and vice versa, taking into account the propagation times, the respective propagation times are measured separately for the respective communication direction from master to slave or from slave to master, and are taken into account when determining the transmission time for synchronous data telegrams.
In einem Schritt S1 des Verfahrens erfolgt das kommunikative Verbinden des zentralen Mittels zur Zeitmessung (10) mit dem ersten Netzwerkteilnehmer (12) über den zweiten Netzwerkstrang und ein Synchronisieren des lokalen Mittels zur Zeitmessung des ersten Netzwerkteilnehmers (12) auf das zentrale Mittel zur Zeitmessung (10).In a step S1 of the method, the communicative connection of the central means for time measurement (10) with the first network participant (12) via the second network strand and a synchronization of the local means for time measurement of the first network participant (12) with the central means for time measurement (10) takes place.
In einem darauffolgenden Schritt S2 erfolgt ein Verbinden des zentralen Mittels zur Zeitmessung (10) mit dem zweiten Netzwerkteilnehmer (14) über den dritten Netzwerkstrang und das Synchronisieren des lokalen Mittels zur Zeitmessung des zweiten Netzwerkteilnehmers (14) auf das zentrale Mittel zur Zeitmessung (10).In a subsequent step S2, the central time measurement means (10) is connected to the second network participant (14) via the third network strand and the local time measurement means of the second network participant (14) is synchronized with the central time measurement means (10).
Wenn mehr als ein zentrales Mittel zur Zeitmessung (10) vorhanden ist, erfolgt in einem Schritt S0, der vor S1 und S2 ausgeführt, wird ein Auswählen eines zentralen Mittels zur Zeitmessung und eine Bekanntgabe an die Netzwerkteilnehmer (12, 14), welches zentrale Mittel zur Zeitmessung ausgewählt ist.If more than one central means for time measurement (10) is present, in a step S0, which is carried out before S1 and S2, a central means for time measurement is selected and an announcement is made to the network participants (12, 14) as to which central means for time measurement has been selected.
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